什么是跨链？字面上理解即为信息或者价值跨越不同公链协议进行互通互换。区块链之间互通性的问题一直限制了区块链的应用空间，而跨链机制可以通过技术手段，将原本不同的、独立的区块链上的信息、价值进行交换和流通。如果把公链当成一个个区块链岛屿，那么跨链就是连接这些岛屿之间的桥梁。

 

2016 年，BTC-Relay 基于中继跨链方案，实现了比特币到以太坊的单向跨链连通。同年，以太坊创始人Vitalik Buterin 的《Chain Interoperability》论文提出了四种跨链技术。目前，市面上专注跨链的区块链项目有Polkadot、Cosmos等等。

 

在区块链所面临的诸多问题中，区块链之间互通性极大程度的限制了区块链的应用空间。不论对于公有链还是私有链来看，跨链技术就是实现价值互联网的关键，是区块链向外拓展和连接的桥梁。

 

跨链的四种主要实现模式

发起跨链交易的时候，如何才能完成对另一条链的交易确认呢？这时候，我们就需要一个“中间人”的角色，承担两条链的信息交互。

根据“交易如何确认”，“在哪确认”，以及“由谁来确认”等不同的方案，我们将该过程概括为五种实现方式，

公证人机制（Notary Schemes）

侧链/中继（Sidechains/Relays）

哈希锁定（Hash-locking）

分布式私钥控制（Distributed Private Key Control）

原子交换（Atomic Swap）

 

一、公证人机制之瑞波Interledger协议

 

在2012年，瑞波实验室提出的Interledger协议，目的是要在不同的区块链账本之间实现相互之间的协同和沟通，借此协议来打通全球各地不同的信息孤岛，实现信息在整个互联网的自由流通和传递。Interledger协议适用于所有记账系统、能够包容所有记账系统的差异性，该协议的目标是要打造全球统一支付标准，创建统一的网络金融传输协议。

 

Interledger协议使两个不同的记账系统可以通过第三方“连接器”或“验证器”互相自由地传输货币。记账系统无需信任“连接器”，因为该协议采用密码算法用连接器为这两个记账系统创建资金托管，当所有参与方对交易达成共识时，便可相互交易。该协议移除了交易参与者所需的信任，连接器不会丢失或窃取资金，这意味着，这种交易无需得到法律合同的保护和过多的审核，大大降低了门槛。同时，只有参与其中的记账系统才可以跟踪交易，交易的详情可隐藏起来，“验证器”是通过加密算法来运行，因此不会直接看到交易的详情。理论上，该协议可以兼容任何在线记账系统，从而使银行之间可以无需中央银行或代理银行就可直接交易。

 

 

公证人机制便是基于Interledger协议创造的一种技术框架，值得注意的是，Interledger并不是一个公开的账本，也不需要寻求任何形式的共识，它更像是一个提供顶层加密托管系统的信任连接者，在Interledger的信任担保下，资金可以在各个区块链账本之间流动，不同的账本体系通过Interledger进行自由的货币交易。

 

Interledger最大的作用是降低交易双方的信任成本，使交易双方在不需要进行信任确认的情况下完成交易、传递价值。

 

公证人机制包括如下几种：

 

1、单签名公证人机制

也叫中心化公证人机制，通常由单一指定的独立节点或者机构充当，它同时承担了数据收集-交易确认-验证的任务。

2、多签名公证人机制

通常由多位公证人在各自账本上共同签名达成共识后才能完成交易，多重签名公证人的每一个节点都拥有自己的一个密钥，只有当达到一定的公证人签名数量或比例时，跨链交易才能被确认。

3、分布式签名公证人机制

分布式签名公证人机制和多重签名公证人机制最大的区别在于签名方式不同，它采用了多方计算（Multi-Party Computation）的设计，安全性更高，实现也更复杂。

 

公证人机制是跨链技术中比较简单的一种，主要是充当中介方的角色，类似支付宝，解决的是“先付款还是先发货的”安全问题，解决思路就是由淘宝担任第三方担保和仲裁的角色。公证人机制是双向跨链，可以实现跨链资产交换及转移，利用智能合约在链与链间操作，比较容易操作，缺点是容易产生中心化。

 

二、哈希锁定之闪电网络（Lightning Network）

 

哈希锁定，全称哈希时间锁定合约（Hash Time Lock Contract），是闪电网络中提出的一种新的技术实现形式。哈希锁定模式是指用户在规定的时间段对于哈希值的原值进行猜测来支付的一种机制。简单讲，就是在智能合约的基础上，双方先锁定资产，如果都在有限的时间内输入正确哈希值的原值，即可完成交易。

在这样的机制下可以实现小额支付的快速确认，也就是说实现闪电网络快速确认的目标。接下来小隅将以哈希锁定下的资产兑换为例来为大家科普哈希锁定是怎么实现的。

 

1、怎么实现哈希时间锁定？

 

为了方便理解哈希时间锁定到底是如何锁定的，这里给大家类比了两个锁，一个是哈希锁，一个是时间锁。通过哈希值上锁，上锁之后只有用产生这个哈希值的原本值进行开锁，假设数123，哈希之后的值为abc，通过abc上锁，不考虑哈希碰撞的情况下，只能由123解锁。时间锁要求在规定时间内输入哈希锁的密码。如果时间锁的时间是1个小时，那么就要求用户需要在1个小时内输入哈希锁的密码，如果在1个小时后输入哈希锁的密码，时间锁仍然不会开启。

 

也就是说同时打开这两个锁的条件是，在规定的时间内输入哈希值原本的值，上面的例子就是在1个小时内，输入“123”，两把锁才会都处于开启状态。

 

在哈希时间锁定机制中，如果时间超过了规定时间，锁定在系统中的代币将会被收回。在整个过程链与链之间也不用相互了解，进而促进了交易的速度。而且如果交易失败，哈希锁定是不会收取额外的手续费。

 

 

2、闪电网络

 

闪电网络提供了一个可扩展的BTC微支付通道网络，它极大提升了比特币网络链外的交易处理能力。

 

交易双方若在区块链上预先设有支付通道，就可以多次、高频、双向地实现快速确认的微支付；双方若无直接的点对点支付通道，只要网络中存在一条连通双方的、由多个支付通道构成的支付路径，闪电网络也可以利用这条支付路径实现资金在双方之间的可靠转移。

闪电网络的关键技术是哈希锁定技术，基本原理如下：用户A和B可以达成这样一个协议：协议将锁定A的0.1 BTC，在某个区块高度之前，如果B能够向A出示一个正确的暗语（可以生成匹配的哈希值），使得暗语的哈希值等于事先约定的值H（暗语），B就能获得这0.1 BTC；如果直到某个区块高度过后B仍然未能提供一个正确的暗语，这0.1 BTC将自动解冻并归还A。

 

闪电网络并不试图解决单次支付的问题，其假设是单次支付的金额足够小，即使一方违约另一方的损失也非常小，风险可以承受。

 

三、侧链/中继之BTC-Relay、Polkadot和Cosmos

 

1、侧链中继

 

中继是一个网络通讯词，是两个交换中心之间的一条传输通路。侧链中继是一种让不同主链之间可以进行信息通信的技术。在过去，每条主链上的信息只能在该条主链上流通，如果两条主链之间想要相互通信，让彼此的通证可以自由的流通，那么就需要一个桥梁把双方连接起来，就像传统的网络通信那样，两个人互通电话，就必须要利用中转站来传输通信信息，侧链中继就是区块链中的中转站。

侧链中继可以在多条主链中加入一个数据结构，然后基于这个数据结构，主链与主链之间就可以进行数据的交互。

当然，仅仅有数据通信还是远远不够，我们还需要调用一个主链上数据结构的API，实现监听并验证另一条链上的交易，而这就是中继技术。如果连接这两条链的中间方，还是一条区块链的话，那么这条链就是中继链（Relay Chain）。侧链中继可以让被认证过的交易从一条链快速传达到另外一条链上，这让用户的交易更加便捷，也让信息的传递变得更加高效。使用中继技术后，数据的传输将会更为灵活，“中间人”仅仅充当数据收集者的角色，目标链收到发送链数据后由接收链自行验证，完成交易确认的工作。

自行验证的方式依据系统结构不同而不同，例如 BTC-Relay 依赖于 SPV 证明，Cosmos 还依靠验证节点签名数量等。

 

侧链是以锚定某种原链上的代币为基础的新型区块链。比如，以太坊可以成为比特币的侧链，比特币作为以太坊的主链。但是主链不知道侧链的存在，侧链知道主链的存在，即侧链能读懂主链。

 

2、侧链技术之BTC-Relay

 

BTC-Relay是专注于在以太坊上开发应用的创业公司ConsenSys于2016年发布的技术项目。是在以太坊基金会支持之下诞生并成长起来的，也被认为是区块链上的第一个侧链。

 

BTC -Relay把以太坊网络与比特币网络通过使用以太坊的智能合约连接起来，可以使用户在以太坊上验证比特币交易。它通过以太坊智能合约创建一种小型版本的比特币区块链，但智能合约需要获取比特币网络数据，这还比较难实现去中心化。BTC-Relay进行了跨区块链通信的有意义的尝试，打开了不同区块链交流的通道。

 

 

3、中继技术之Polkadot和Cosmos

 

Polkadot

Polkadot是由原以太坊主要核心开发者推出的公有链。它旨在解决当今两大阻止区块链技术传播和接受的难题：即时拓展性和延伸性。Polkadot计划将私有链/联盟链融入到公有链的共识网络中，同时又能保有私有链/联盟链的原有的数据隐私和许可使用的特性。它可以将多个区块链互相连接。

 

在Polkadot看来，其它区块链都是平行链，Polkadot为通过中继链（Relay-chain）技术能够将原有链上的代币转入类似多重签名控制的原链地址中，对其进行暂时锁定，在中继链上的交易结果将由这些签名人投票决定其是否生效。它还引入了钓鱼人角色对交易进行举报监督。通过Polkadot可以将比特币、以太币等都链接到Polkadot上，从而实现跨链通信。

 

Polkadot还是以以太坊为主，实现其与私有链的互连，并以其他公有链网络为升级目标，最终让以太坊直接与任何链进行通讯。

 

Cosmos

Cosmos是Tendermint团队推出的一个支持跨链交互的异构网络。Cosmos采用的Tendermint共识算法，是一个类似实用拜占庭容错共识引擎，具有高性能、一致性等特点，而且在其严格的分叉责任制保证下，能够防止怀有恶意的参与者做出不当操作。

 

 

Cosmos上的第一个空间叫做"Cosmos Hub"。Cosmos Hub中心是一种多资产权益证明加密货币网络，它通过简单的管理机制来实现网络的改动与更新，还可以通过连接其他空间来实现扩展。

 

Cosmos 网络的中心及各个空间可以通过区块链间通信（IBC）协议进行沟通，这种协议是针对区块链网络的，类似UDP或TCP网络协议。代币可以安全快速地从一个空间传递到另一个空间，两者之间无需体现汇兑流动性。相反，空间内部所有代币的转移都会通过Cosmos 中心，它会记录每个空间所持有的代币总量。这个中心会将每个空间与其他故障空间隔离开。因为每个人都可以将新空间连接到Cosmos中心，所以Cosmos也可以兼容未来新的区块链。

 

这一架构解决了当今区块链领域面临的许多问题，包括应用程序互操作性、可扩展性、以及无缝更新性。比如，从 Bitcoind、Go-Ethereum、ZCash或其他区块链系统中衍生出来的空间，都可以接入Cosmos中心。这些空间允许Cosmos实现无限扩展，从而满足全球交易的需求。

 

四、分布式私钥控制之Fusion和WanChain

 

1、分布式私钥控制

是基于密码学里面一个多方计算和门限密钥的一个共享技术，是通过私钥生成与控制技术，把加密货币资产映射到基于区块链协议的内置资产模板的链上，根据跨链交易信息部署新的智能合约，创建出新的加密货币资产。分布式私钥就是把一个区块链里面的私钥分成了N份，把它拆分成N份之后，同时再把它分给N个参与者，参与者每个人就掌握了一部分私钥，只有集齐了其中的K（K≦N）个私钥的分配之后，才能恢复出这个完整的一个私钥，恢复完整私钥，才能够对这个私钥上面的资产进行一个解锁。

原有加密资产被转移到跨链上时，跨链节点会在已有合约中为用户发放等值代币，为了原有链上的资产在跨链上仍然可以交易，原有链资产在跨链上进行分布式控制权管理的操作有锁定和解锁。锁定和解锁是对于链上资产的互逆操作。

锁定（Lock-in）：就是对所有通过密钥控制的数字资产实现分布式控制权管理和资产映射的过程。需要委托去中心化的网络掌管用户的私钥，用户自己掌握跨链上那部分代理资产的私钥。解锁（Lock-out）：就是利用以及掌握的分布式私钥对于锁定的代币进行解锁操作，使代币由原来的不可操作状态变成现在的可转移可操作状态。

由于分布式私钥通过委托去中心化网络掌握用户私钥，同时用户也掌握代理自身资产的部分私钥，所以不存在第三方持有私钥。代表项目有Wanchain和Fusion。

 

2、Fusion

以Fusion（一个跨链、跨组织、跨数据源的加密金融平台）为例，假如用户要锁定其资产，其实首先是向Fusion去提交请求，从而生成一个可以锁定资产的一个私钥、地址。把这个地址发送给用户，用户就可以在比特币网络里面，把资产转移到锁定的地址上面去。

锁定这个地址和对应的私钥，其实是由Fusion这个网络里面的多个用户，或者说是多个节点持有的，单独某几个节点是没办法去动用这里面的资产的。只有在上面通过智能合约，达成了共识之后，如果他们都认为这个资产是可以解锁的，他们就会把各自的私钥片段贡献出来，集齐K个数量（K≦N），就能够把这个私钥完整恢复，继而解锁对应资产。

 

3、WanChain

WanChain（万维链）也支持主流公有链间的跨链交易，但首先需要完成在万维链上的注册，确保万维链能够对该链进行唯一识别。对于跨链交易，万维链利用多方计算和门限密钥共享方案。当一种未注册资产由原有链转移到万维链上时，万维链节点会使用一个基于协议的内置资产模板，根据跨链交易信息部署新的智能合约创建新的资产。当一种已注册资产由原有链转移到万维链上时，万维链节点会为用户在已有合约中发放相应等值代币，确保了原有链资产在万维链上仍然可以相互交易流通。

万维链通过分布式的方式完成不同区块链账本的连接及价值交换。它采用通用的跨链协议以及记录跨链交易、链内交易的分布式账本，公有链、私有链还是联盟链，均能接入万维链，实现不同区块链账本的连接及资产的跨账本转移。

 

五、原子交换之LTC

 

2013年，Tier Nolan在BitcoinTalk论坛上首次提出了原子交换。Nolan通过使用不同类型区块链上的简单加密货币交易，概述了跨链加密货币互换的基本原则。2017年9月，当莱特币创始人李启威（Charlie Lee）在Twitter上宣布莱特币和比特币之间成功执行了一项原子交换时，原子交换引起了加密货币社区的广泛关注。

 

原子交换（Atomic Swap），就是去中心化下，双方实现原子性的跨链公平交易。那什么是原子性呢？原子性就是指要么交换成功，要么失败，不会存在中间状态。原子交换创建自动的、自我执行的合约，这些合约执行特定的操作，一旦预先确定的条件得到满足，就可以进行免费的交易。

 

原子交换是如何工作的呢？原子交换本质上使用还是本文中第二部分中提到的一种特殊类型的智能合约，即哈希时间锁合约。

 

 

结语

 

早期跨链技术包括以瑞波和BTC-Relay为代表，它们更多关注的是资产转移；现有跨链技术以Polkadot和Cosmos为代表更多关注的是跨链基础设施；新出现的Fusion实现了多币种智能合约，是一种很有应用价值的公有链，在其上可以产生丰富的跨链金融应用。

 

区块链技术发展至今，链与链之间高度异构化，形成孤立的价值体系，伴随着落地应用的逐步实现，链与链之间互联互通的重要性日益凸显。价值互联网如何能够称为“网”，而不是一组平行线，就需要各种跨链技术，跨链就是将同构或异构的区块链系统连接起来，实现资产、数据互操作，是区块链向外拓展和连接的桥梁。对于区块链来说，共识机制是区块链的核心，跨链技术则是实现价值网络的关键。区块链之间的互通性是限制应用空间的瓶颈。未来随着跨链技术的成熟，必将出现万链互动的场景，更多的人将在实际生活中频繁与区块链交互，体验科技改变生活的快乐。

 

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